Estudo aerobiológico da cidade do Funchal: detecção bioquímica dos principais aeroalergénios polínicos

A abordagem da doença alérgica, nomeadamente da alergia respiratória, surge reforçada com o contributo da Aerobiologia no conhecimento, evolução e controlo da doença. Por seu turno, a caracterização bioquímica dos aeroalergénios de uma região pemite avaliar a sua composição e potencial alergénico, com particular interesse para espécies vegetais cuja introdução e/ou proximidade a áreas populacionais, potenciam o aparecimento ou o aumento de sensibilização a aeroalergénios. O trabalho apresentado nesta dissertação incidiu em duas vertentes de investigação distintas, porém complementares e interdependentes: numa primeira parte, no estudo da composição aerobiológica da atmosfera da cidade do Funchal no período 2002-2004 (Capítulo I), e numa segunda parte, na caracterização bioquímica dos alergénios polínicos mais frequentes detectados no referido período (Capítulo II). Assim, numa primeira parte, a monitorização aerobiológica (incluindo pólenes, esporos de fungos e demais partículas de origem biológica), foi realizada com um polinómetro do tipo volumétrico, tipo Hirst (Burkard). Os dados obtidos foram correlacionados com os parâmetros meteorológicos e avaliado o seu significado estatístico, permitindo antever a influência das variáveis ambientais em cada tipo particular de pólen e de fungo. Constataram-se algumas diferenças no conteúdo aerobiológico comparativamente ao restante território nacional. No espectro polínico dominaram as Poaceae e Urticaceae, plantas ornamentais (Asteraceae, Boraginaceae, Cupressaceae) e as representativas da faixa norte da cidade (Ericaceae, Myrtaceae e Pinaceae). Comparativamente a outras regiões do País, o espectro polínico foi no cômputo geral semelhante, embora se destaque para esta região, a expressividade do tipo Corylus no total polínico anual. A Primavera e o início de Verão, corresponderam às épocas de maior diversidade e concentração de pólenes. As diferenças encontradas no espectro polínico da cidade do Funchal são explicadas por variáveis intrínsecas desta região, tais como a composição vegetal, a localização da cidade, condições geo-climáticas inerentes, e a influência dos parâmetros meteorológicos, nomeadamente a temperatura e humidade relativa. Verificou-se a ocorrência de um maior número de pólenes quando a humidade se situa entre os 50 e 60 %, com a precipitação e a velocidade do vento a atingir valores mais baixos. A análise da variação intra-diurna observada revelou que há uma maior representação de pólenes entre as 11 e as 16 horas. Este estudo aerobiológico confere dados para o estabelecimento do primeiro calendário polínico da região e a definição de padrões de sazonalidade. Por seu turno, a fenologia dos principais tipos polínicos observados no Funchal permite definir um padrão anual de ocorrências polínicas. Relativamente à aeromicologia, verifica-se que, durante o período de estudo foram observados esporos de fungos sobretudo na Primavera (particularmente em Abril e Maio), início do Verão e no Outono. Os Deuteromicetes representaram a classe predominante, sendo Cladosporium o fungo mais abundante na atmosfera do Funchal, cujas concentrações mais elevadas ocorrem a humidades relativas de 40 a 70%. Tal como os pólenes, os esporos apresentam um dinâmica de variação intra-diurna particular: ocorreram em maior concentração entre as 13 e as 15 horas, surgindo igualmente nas primeiras horas da madrugada e da noite. O coberto vegetal do Funchal poderá afectar a aeromicologia local, na medida em que constitui um substrato importante para o crescimento de fungos, tal como as gramíneas que proliferam em quantidade e variedade ao longo de todo o ano. Constatou-se a existência de correlação entre a ocorrência de alguns esporos de fungos e taxa polínicos mais frequentes na atmosfera do Funchal. A análise de Spearman sugere a existência de correlação entre a ocorrência de Parietaria com a de Alternaria e Drechslera. Os esporos de fungos, incluindo esporos de fetos constituem uma fracção significativa das partículas na atmosfera do Funchal, sendo cerca de 11 vezes superior à dos pólenes. Na segunda parte do trabalho, o estudo bioquímico dos aeroalergénios polínicos implicou a optimização dos procedimentos de extracção, apurando-se três técnicas para a obtenção dos perfis proteicos de extractos de pólen desde a sua fonte natural. Esta análise permitiu detectar e identificar através das técnicas de SDS-PAGE-Imunoblotting, proteínas IgE específicas do pólen de plantas possivelmente relacionadas com a sensibilização alérgica. Em consonância com a monitorização aerobiológica, foram preparados extractos de pólen de 10 espécies de plantas. Os resultados em SDS-PAGE revelaram um elevado polimorfismo proteico em todos os extractos. Obtiveram-se extractos de pólen de 7 plantas acerca das quais não se conheciam estudos desta natureza: Acacia mearnsii, Avena barbata, Carduus squarrosus, Carlina salicifolia, Datura candida, Echium nervosum e Urtica membranosa. Por imunoblotting detectou-se no soro de dois pacientes IgE específica a proteínas de D. candida, com pesos moleculares entre 150,71 ± 0,05 e 58,92 ± 5,67 KDa. O soro de um deles reagiu igualmente com 5 alergénios de P. pinaster com 42,02 ± 0,05; 38,61 ± 0,46 ; 35,70 ± 7,78 ; 31,82 ± 2,11 e 27,45 ± 0,46 KDa. No soro de outro indivíduo foi detectada IgE específica para uma proteína de A. mearnsii com 66,66 ± 0,13 KDa, e outra de C. squarrosus,de 67,53 ± 0,29 KDa. É de destacar a sensibilidade e fiabilidade da técnica de Imunoblotting, e o interesse em incluila na metodologia de diagnóstico complementar da alergia respiratória. A ampla difusão de espécies como Ricinus communis, Urtica spp. ou A. mearnsii e sua proximidade à presença humana, reforçam, por um lado, a importância da vigilância aerobiológica, e por outro lado, requer uma definição do seu carácter alergénico para a população desta região.

Implementação em hardware de uma Rede Neuronal com ummicroprocessador embebido em FPGA

O objectivo deste trabalho é a implementação em hardware de uma Rede Neuronal com um microprocessador embebido, podendo ser um recurso valioso em várias áreas científicas. A importância das implementações em hardware deve-se à flexibilidade, maior desempenho e baixo consumo de energia. Para esta implementação foi utilizado o dispositivo FPGA Virtex II Pro XC2VP30 com um MicroBlaze soft core, da Xilinx. O MicroBlaze tem vantagens como a simplicidade no design, sua reutilização e fácil integração com outras tecnologias. A primeira fase do trabalho consistiu num estudo sobre o FPGA, um sistema reconfigurável que possui características importantes como a capacidade de executar em paralelo tarefas complexas. Em seguida, desenvolveu-se o código de implementação de uma Rede Neuronal Artificial baseado numa linguagem de programação de alto nível. Na implementação da Rede Neuronal aplicou-se, na camada escondida, a função de activação tangente hiperbólica, que serve para fornecer a não linearidade à Rede Neuronal. A implementação é feita usando um tipo de Rede Neuronal que permite apenas ligações no sentido de saída, chamado Redes Neuronais sem realimentação (do Inglês Feedforward Neural Networks - FNN). Como as Redes Neuronais Artificiais são sistemas de processamento de informações, e as suas características são comuns às Redes Neuronais Biológicas, aplicaram-se testes na implementação em hardware e analisou-se a sua importância, a sua eficiência e o seu desempenho. E finalmente, diante dos resultados, fez-se uma análise de abordagem e metodologia adoptada e sua viabilidade.

Sensores em fibra óptica para monitorização ambiental

Fruto da crescente preocupação face à bioacumulação e bioconcentração de poluentes e conscientização dos efeitos do aquecimento global, nos últimos anos têm sido adoptadas inúmeras acções e medidas que visam o controlo de parâmetros indicadores da qualidade do meio, a detecção de substâncias potencialmente perigosas e a promoção/utilização de energias alternativas não poluentes. Neste âmbito, a monitorização em tempo real revela-se fundamental para a análise contínua do equilíbrio dos ecossistemas. Neste contexto, os sensores de fibra óptica, mais concretamente os sensores químicos em fibra óptica possuem um conjunto de características, como por exemplo a miniaturização, baixo custo, versatilidade, biocompatibilidade, capacidade de monitorização remota, que representam uma alternativa tecnológica e economicamente viável. Por outro lado, a utilização de redes de difracção em sensores de fibra óptica, é em adição uma mais-valia para este tipo de sistemas, as redes de período longo pela sua sensibilidade intrínseca ao índice de refracção, e as redes de Bragg pela sua facilidade de interrogação e facilidade de multiplexagem. A presente dissertação tem por objectivo o estudo, desenvolvimento e análise de sensores em fibra óptica para monitorização de espaços ambientais. O presente documento encontra-se organizado em cinco capítulos. O capítulo 1 faz um enquadramento dos sensores de fibra óptica para monitorização ambiental dando relevo aos sensores químicos em fibra óptica. No capítulo 2 expõe-se o conjunto de conceitos necessários para a compreensão do trabalho. A começar pelas redes de difracção em fibra óptica e a suas potencialidades como elementos sensores. Algumas configurações foram detalhadas assim como alguns princípios para interrogação das mesmas. A medição multi-parâmetro e o fabrico de membranas de sensibilidade selectiva são também abordados. O Capitulo 3 refere a primeira configuração desenvolvida, trata-se de um sensor interferométrico baseado numa cavidade Fabry-Pérot, constituído por uma rede de Bragg e a reflectividade da ponta da fibra. O objectivo do sensor é a monitorização do ácido acético e outras espécies carboxílicas em bioreactores. Para tornar a configuração sensível ao ácido foi aplicado um revestimento de Silane-PVP à extremidade da fibra. A configuração sensora demonstrada aufere de características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, não utilização de indicadores, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capítulo 4 apresenta a segunda configuração desenvolvida que tem por objectivo a medição simultânea de salinidade e temperatura. A medição de salinidade é baseada no índice de refracção. Trata-se de um sensor de intensidade auto-referenciado, baseado em três redes de difracção. Uma rede de período longo sensível ao índice de refracção e temperatura e duas redes de Bragg, para interrogação da da rede de período longo e compensação de temperatura. Para discriminação dos parâmetros de interesse foi utilizado o método matricial. A configuração exposta exibe características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, discriminação de índice de refracção e temperatura, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capitulo 5 contém as conclusões e comentários finais ao trabalho. No final da tese seguem-se os anexos, onde se encontram as publicações e comunicações resultantes do trabalho realizado.

Monitorização ambiental em espaços florestais com rede de sensores sem fios

O objectivo deste projecto é desenvolver um sistema de monitorização florestal recorrendo às Redes de Sensores sem Fios. Para a monitorização florestal foi desenvolvido um protótipo cuja função é obter periodicamente os valores de temperatura, humidade, luminosidade, tensão nas baterias e a indicação do nível de sinal de rádio frequência recebido (RSSI- Received Signal Strength Indicator). O equipamento referido foi instalado num ambiente exterior, com características semelhantes à de interesse de modo a permitir avaliar os efeitos do ambiente no desempenho da rede. O funcionamento das Redes de Sensores sem Fios, baseadas no protocolo ZigBee, foi estudado e depois aplicado para transmitir os valores obtidos. Os dados referidos percorrem a rede ZigBee até alcançar a estação base, que tem como função processar, manipular, armazenar numa base de dados e disponibilizar os dados em tempo real através de uma página de Internet. Como os dados são armazenados é sempre possível efectuar uma consulta à base de dados para realização de estudos e estatísticas. Tendo em conta a capacidade limitada dos sistemas de armazenamento de energia utilizados em ambientes exteriores, foi desenvolvido um algoritmo que permite comutar os dispositivos na rede ZigBee de router para end-device e vice-versa, de modo a diminuir o consumo de energia e aumentar o tempo de vida da rede. Este algoritmo foi testado numa situação em que os nós sensores estão colocados em linha, existindo um único salto entre os mesmos.

Detecção de bactérias no ar em ambiente hospitalar com recurso a técnicas moleculares

A Qualidade do Ar Interior (QAI) revela-se de grande importância no ambiente hospitalar devido à disseminação aérea de bactérias potenciar as infecções nosocomiais. Os estudos nesta temática são raros em Portugal e inexistentes na Madeira. Este trabalho tem como objectivos identificar com elevada precisão a flora bacteriana aerosolizada no Hospital Dr. João de Almada (HJA) utilizando técnicas moleculares, determinar a sua origem, disseminação e especificidades e analisar globalmente a QAI. O ar exterior e de 15 locais no interior do HJA foi amostrado em Abril de 2009. Foram medidas a temperatura, humidade e concentração de CO2 e NO2 e quantificadas as bactérias e fungos no ar. Utilizaram-se testes bioquímicos e técnicas moleculares para caracterização e identificação de bactérias e foram comparadas comunidades bacterianas. A biodiversidade bacteriana no ar interior do HJA é dominada pelo género Staphylococcus (68%), sendo as espécies mais frequentes S. cohnii urealyticus, S. haemolyticus, S. capitis ou S. caprae e Micrococcus luteus. A maioria das espécies encontradas é comum em ambiente hospitalar e na flora comensal humana. As Staphylococcus spp. detectadas são consideradas patogénicas oportunistas envolvidas em infecções nosocomiais. A QAI é conforme com a legislação na maioria dos locais, havendo microorganismos em excesso em 12 das 72 amostras. O excesso de fungos relacionou-se com eventos de bruma no exterior e o excesso de bactérias correlacionou-se com a actividade humana e foi potenciado pela fraca ventilação e a presença ou manipulação de materiais contaminados. O ar exterior tem boa qualidade para ventilação do HJA, excepto durante eventos de bruma. As comunidades bacterianas aerosolizadas têm maior similaridade entre locais do mesmo tipo, sendo os ocupantes o principal foco de contaminação. São propostas medidas correctivas como o aumento da ventilação dos locais com elevada actividade humana e cuidados na manipulação de roupa suja e resíduos.

Detecção e caracterização de biomarcadores voláteis em indivíduos com patologias oncológicas

Com a realização deste trabalho, pretendeu-se traçar o perfil padrão da composição volátil típico de fluidos biológicos (urina) de indivíduos sem patologia oncológica (grupo de controlo) comparando-os com os de pacientes (grupo com patologia oncológica). As amostras de urina de ambos os grupos foram analisadas por microextracção em fase sólida em modo de headspace acoplada à espectrometria de massa (HS-SPME-GC/qMS). Com o intuito de aumentar a eficiência de extracção da SPME, foram optimizados alguns parâmetros com influência no processo extractivo, nomeadamente o tipo de fibra, o tempo e a temperatura de extracção. Assim sendo, foram testadas e comparadas seis fibras comercialmente disponíveis, polidimetilsiloxano (PDMS, 100 m), poliacrilato (PA, 85 m), carboxeno-polidimetilsiloxano (CAR/PDMS, 75 m), carbowax-divinilbenzeno (CW/DVB, 65 m), divinilbenzeno-carboxen-polidimetilsiloxano (DVB/CAR/PDMS, 50/30 m) e polidimetilsiloxano-divinilbenzeno (PDMS/DVB, 65 m). A influência do tempo (30, 45, 60 e 75 min) e temperatura (30, 50 e 60 ºC) de extracção foram optimizados de modo a obter uma melhor eficiência de extracção dos compostos voláteis presentes nas amostras de urina. Os melhores resultados foram obtidos usando a fibra carboxeno-polidimetilsiloxano (CAR/PDMS, 75 m), com uma velocidade de agitação de 800 rpm durante 75 min a uma temperatura de 50 ºC. Para os dois grupos em estudo, foram identificados 80 compostos voláteis pertencentes a diversas famílias químicas, nomeadamente, aldeídos, cetonas, derivados benzénicos, compostos terpénicos, ácidos orgânicos, compostos furânicos, compostos sulfurados, fenóis voláteis, ésteres, álcoois superiores e derivados do naftaleno. Os compostos maioritários pertencentes aos grupos analisados foram a 4-heptanona, a 2-pentanona, a acetona, a 2-butanona, o 1(2- furanil)etanona, o 3-metil-3-fenil-2-propenal, o 3,4-dimetilbenzaldeído, o decanal, o dissulfureto de dimetilo, o metanotiol, o 2-metoxitiofeno, o 4-metil-fenol, o p-tert-butil-fenol, o 2,4-bis(1,1- dimetiletil)fenol, o fenol, o m-cimeno, o p-cimeno, o tolueno, o 1-etil-3,5-diisopropilbenzeno, o 2,6-dimetil-7-octen-2-ol, a D-carvona, o vitispirano I e o vitispirano II. O teste One-Way ANOVA foi aplicado aos resultados com o intuito de verificar se existiam diferenças significativas entre os grupos avaliados (Controlo e Oncológico), sendo o dissulfureto de dimetilo, o 2-metoxitiofeno, e o p-cimeno estatisticamente significativos. A aplicação da análise multivariável às amostras de urina das diferentes patologias permitiu diferenciá-las no qual se obteve 81,02% da variância total.A aplicação da análise multivariável às amostras de urina das diferentes patologias permitiu diferenciá-las no qual se obteve 81,02% da variância total. A patologia de Hodgkin é influenciada pelas variáveis heptanal e o 2-metil-3-fenil-2-propenal. O Controlo é afectado essencialmente pelas variáveis p-cimeno, 1,4,5-trimetilnaftaleno e o dissulfureto de dimetilo. O Cólon é influenciado pelo 4-metilfenol, anisole e 1,2-dihidro-1,1,6-trimetil-naftaleno. O 1-octanol e a 3-heptanona influenciam, essencialmente as patologias da Mama e Leucemia.

Sistema de gestão de rega com uma rede de sensores sem fios

Este projeto descreve a criação de um sistema de gestão de rega aplicado à agricultura, baseado numa rede de sensores sem fios (RSSF), e apresenta a implementação de um sistema para captação de energia, nomeadamente, um gerador hídrico segundo os modelos de pás do tipo hélice, para além da utilização de painéis solares. O sistema de gestão de rega consiste num protótipo de monitorização que permite o controlo dos atuadores (válvulas), de modo a ligar e desligar os canais de rega conectados a um reservatório de água, com base na informação monitorizada pelos nós sensores do solo. Assim, o sistema desenvolvido otimiza a quantidade de água aplicada ao cultivo, oferecendo as condições ideais para o correto desenvolvimento dos mesmos. Inicialmente realizou-se um estudo sobre os tipos de sensores utilizados no setor agricultura. Posteriormente verificou-se o funcionamento das RSSF, baseado no protocolo ZigBee, de modo a compreender o envio dos dados dos nós sensores para a estação base. A otimização do consumo energético das RSSF foi outro dos desafios tidos em consideração neste projeto, uma vez que, atualmente, a alimentação dos nós sensores em ambientes exteriores, na sua maioria, é realizada por baterias, o que limita o nível de longevidade do sistema. Desta forma, foi necessário desenvolver um sistema que possibilite a captação da energia gerada pelo meio envolvente (ex. energia hídrica, e solar), capaz de prolongar a longevidade dos nós sensores a nível energético. O sistema desenvolvido contém uma estação meteorológica alimentada por um painel solar fotovoltaico, dois nós sensores de monitorização dos parâmetros do solo, também alimentados por painéis solares fotovoltaicos, um nó atuador alimentado por um gerador hídrico e uma aplicação web para a visualização dos dados em tempo real. O protótipo referido foi instalado em ambiente exterior, com características semelhantes às de interesse, de modo a ter em consideração os efeitos do ambiente no sistema, nomeadamente, a proteção do equipamento em situações de ocorrência de intempéries.

Sistema de monitorização de defeitos na rede de energia elétrica de média tensão

Nesta dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Telecomunicações desenvolveu-se um sistema de monitorização de defeitos de uma rede de energia elétrica de média tensão, para melhorar a qualidade de serviço do fornecimento de energia elétrica. O sistema deteta e indica a localização da respetiva falha, que impede o funcionamento de uma parte da rede, também interliga todos os sensores instalados na rede a um ponto central que recebe toda a informação proveniente dos sensores, e ajuda na tomada de decisão. Neste trabalho de dissertação fez-se o estudo e descrição das redes de energia elétrica, realçando a topologia, o modo de operação e parâmetros de qualidade. Assinalou-se também os principais defeitos que podem ocorrer na rede de média tensão. Apresentou-se, ao nível comercial, soluções para mitigar o problema alvo de estudo. Explorou-se, num ambiente de simulação, soluções de deteção dos defeitos da rede, tendo sido desenvolvidos três sistemas distintos: sistema A, sistema B e sistema C. Sistema A que monitoriza o valor nominal da corrente elétrica em cada troço da rede elétrica, sistema B com a monitorização do valor da corrente elétrica em cada posto de transformação e sistema C que compara as correntes no inicio e final de cada troço da rede elétrica, verificando se há alguma discrepância entre ambas. Após a análise e simulação das soluções descreve-se o procedimento realizado para criar um protótipo de um sistema de monitorização. Começou-se por testar, individualmente, os sensores de corrente, circuito de condicionamento, microcontroladores e sistema Scada, usado para a visualização dos dados. Posteriormente, elaborou-se manuais de utilização de forma a auxiliar o sistema em trabalhos futuros que venham dar continuidade a este trabalho. Para validar a análise teórica e confirmar os resultados da simulação, testou-se experimentalmente o sistema de deteção C. Confirmou-se que o sistema de monitorização de defeitos é capaz de detetar e localizar a avaria presente na rede de energia elétrica.